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JP7832405B2 - Sensor module - Google Patents
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JP7832405B2 - Sensor module - Google Patents

Sensor module

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JP7832405B2 JP2025111384A JP2025111384A JP7832405B2 JP 7832405 B2 JP7832405 B2 JP 7832405B2 JP 2025111384 A JP2025111384 A JP 2025111384A JP 2025111384 A JP2025111384 A JP 2025111384A JP 7832405 B2 JP7832405 B2 JP 7832405B2
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    • G01B7/16Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge

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Description

本発明は、センサモジュールに関する。 This invention relates to a sensor module.

測定対象物に貼り付けて、測定対象物のひずみを検出するひずみゲージが知られている。ひずみゲージは、ひずみを検出する抵抗体を備えており、抵抗体の材料としては、例えば、Cr(クロム)やNi(ニッケル)を含む材料が用いられている。又、抵抗体は、例えば、絶縁樹脂からなる基材上に形成され、保護フィルムにより被覆されている(例えば、特許文献1参照)。 A strain gauge is known that is attached to an object to be measured to detect its strain. The strain gauge includes a resistor for detecting strain, and the material used for the resistor is, for example, a material containing Cr (chromium) or Ni (nickel). Furthermore, the resistor is formed on a substrate made of, for example, an insulating resin, and covered with a protective film (see, for example, Patent Document 1).

このひずみゲージは、例えば、基材側を接着層を介して起歪体に接着されてセンサモジュールとして用いることができる。 This strain gauge can be used as a sensor module, for example, by bonding the base material to a strain-generating body via an adhesive layer.

特開2016-74934号公報Japanese Patent Publication No. 2016-74934

しかしながら、上記のひずみゲージでは、抵抗体を湿気等から保護するために保護フィルムを設けているため、基材に抵抗体を成膜する工程に加え、抵抗体を保護フィルムで被覆する工程が必要になる。そのため、上記のひずみゲージをセンサモジュールに用いると、センサモジュール全体としてのコストが上昇するという問題があった。 However, the strain gauge described above requires a protective film to shield the resistor from moisture and other elements. Therefore, in addition to the process of forming the resistor film on the substrate, a process of covering the resistor with a protective film is necessary. Consequently, using this strain gauge in a sensor module results in an increased overall cost for the sensor module.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、センサモジュールのコスト上昇を抑制することを目的とする。 This invention has been made in view of the above points, and aims to suppress the increase in the cost of sensor modules.

本センサモジュールは、可撓性を有する樹脂製の基材、前記基材の一方の面に、直接金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層、及び前記機能層の一方の面に直接、Cr、CrN、及びCrNを含む膜から形成された、α-Crを主成分とする抵抗体、を備えたひずみゲージと、前記ひずみゲージにひずみを伝達する起歪体と、を有し、前記機能層は、前記α-Crの結晶成長を促進させ、前記α-Crを主成分とする膜を成膜する機能を有し、前記抵抗体の厚さは、0.05μm以上2μm以下であり、前記機能層の厚さは、1nm以上100nm以下であり、前記ひずみゲージは、前記抵抗体を前記起歪体側に向けて前記起歪体に接着されている。 This sensor module comprises a strain gauge having a flexible resin substrate, a functional layer formed directly on one side of the substrate from a metal, alloy, or metal compound, and a resistor mainly composed of α-Cr formed directly on one side of the functional layer from a film containing Cr, CrN, and Cr₂N , and a strain-transmitting body that transmits strain to the strain gauge, wherein the functional layer has the function of promoting the crystal growth of α-Cr and forming a film mainly composed of α-Cr, the thickness of the resistor is 0.05 μm to 2 μm, the thickness of the functional layer is 1 nm to 100 nm, and the strain gauge is bonded to the strain-transmitting body with the resistor facing the strain-transmitting body.

開示の技術によれば、センサモジュールのコスト上昇を抑制することができる。 According to the disclosed technology, it is possible to suppress the increase in the cost of sensor modules.

第1の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する平面図である。This is a plan view illustrating a sensor module according to the first embodiment. 第1の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する断面図である。This is a cross-sectional view illustrating a sensor module according to the first embodiment.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 The following describes embodiments for carrying out the invention with reference to the drawings. In each drawing, identical components are denoted by the same reference numerals, and redundant explanations may be omitted.

〈第1の実施の形態〉
図1は、第1の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する平面図である。図2は、第1の実施の形態に係るセンサモジュールを例示する断面図であり、図1のA-A線に沿う断面を示している。図1及び図2を参照するに、センサモジュール5は、ひずみゲージ1と、起歪体110と、接着層120とを有している。ひずみゲージ1は、基材10と、抵抗体30と、端子部41とを有している。
<First Embodiment>
Figure 1 is a plan view illustrating a sensor module according to the first embodiment. Figure 2 is a cross-sectional view illustrating a sensor module according to the first embodiment, showing a cross-section along the line A-A in Figure 1. Referring to Figures 1 and 2, the sensor module 5 includes a strain gauge 1, a strain generating body 110, and an adhesive layer 120. The strain gauge 1 includes a base material 10, a resistor 30, and a terminal portion 41.

なお、本実施の形態では、便宜上、センサモジュール5において、基材10側を上側又は一方の側、起歪体110側を下側又は他方の側とする。又、各部位の基材10側の面を一方の面又は上面、起歪体110側の面を他方の面又は下面とする。但し、センサモジュール5は天地逆の状態で用いることができ、又は任意の角度で配置することができる。又、平面視とは対象物を基材10の上面10aの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基材10の上面10aの法線方向から視た形状を指すものとする。 In this embodiment, for convenience, the sensor module 5 is configured such that the base material 10 side is the upper side or one side, and the strain-generating body 110 side is the lower side or the other side. Furthermore, the surface of each part facing the base material 10 is defined as one surface or the upper surface, and the surface facing the strain-generating body 110 is defined as the other surface or the lower surface. However, the sensor module 5 can be used upside down or positioned at any angle. Also, "planar view" refers to viewing the object from the direction normal to the upper surface 10a of the base material 10, and "planar shape" refers to the shape of the object viewed from the direction normal to the upper surface 10a of the base material 10.

ひずみゲージ1において、基材10は、抵抗体30等を形成するためのベース層となる部材であり、可撓性を有する。基材10は、上面10a及び下面10bを備えている。基材10の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、5μm~500μm程度とすることができる。特に、基材10の厚さが5μm~200μmであると、接着層120を介して基材10の下面10bに接合される起歪体110の表面からのひずみの伝達性、環境に対する寸法安定性の点で好ましく、10μm以上であると絶縁性の点で更に好ましい。 In the strain gauge 1, the base material 10 is a flexible component that serves as the base layer for forming the resistor 30, etc. The base material 10 has an upper surface 10a and a lower surface 10b. The thickness of the base material 10 is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but for example, it can be approximately 5 μm to 500 μm. In particular, a thickness of 5 μm to 200 μm for the base material 10 is preferable in terms of strain transmission from the surface of the strain-generating body 110, which is joined to the lower surface 10b of the base material 10 via the adhesive layer 120, and dimensional stability against the environment. A thickness of 10 μm or more is even more preferable in terms of insulation.

基材10は、例えば、PI(ポリイミド)樹脂、エポキシ樹脂、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂、PEN(ポリエチレンナフタレート)樹脂、PET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂、PPS(ポリフェニレンサルファイド)樹脂、ポリオレフィン樹脂等の絶縁樹脂フィルムから形成することができる。なお、フィルムとは、厚さが500μm以下程度であり、可撓性を有する部材を指す。 The base material 10 can be formed from an insulating resin film such as PI (polyimide) resin, epoxy resin, PEEK (polyetheretherketone) resin, PEN (polyethylene naphthalate) resin, PET (polyethylene terephthalate) resin, PPS (polyphenylene sulfide) resin, or polyolefin resin. Note that "film" refers to a flexible material with a thickness of approximately 500 μm or less.

ここで、『絶縁樹脂フィルムから形成する』とは、基材10が絶縁樹脂フィルム中にフィラーや不純物等を含有することを妨げるものではない。基材10は、例えば、シリカやアルミナ等のフィラーを含有する絶縁樹脂フィルムから形成しても構わない。 Here, "formed from an insulating resin film" does not prevent the base material 10 from containing fillers or impurities in the insulating resin film. For example, the base material 10 may be formed from an insulating resin film containing fillers such as silica or alumina.

抵抗体30は、基材10の下面10bに所定のパターンで形成された薄膜であり、ひずみを受けて抵抗変化を生じる受感部である。抵抗体30は、基材10の下面10bに直接形成されてもよいし、基材10の下面10bに他の層を介して形成されてもよい。なお、図1では、便宜上、抵抗体30を梨地模様で示している。 The resistor 30 is a thin film formed in a predetermined pattern on the lower surface 10b of the substrate 10, and is a sensitive part that undergoes a change in resistance when strained. The resistor 30 may be formed directly on the lower surface 10b of the substrate 10, or it may be formed on the lower surface 10b of the substrate 10 via another layer. For convenience, in Figure 1, the resistor 30 is shown with a textured surface.

抵抗体30は、例えば、Cr(クロム)を含む材料、Ni(ニッケル)を含む材料、又はCrとNiの両方を含む材料から形成することができる。すなわち、抵抗体30は、CrとNiの少なくとも一方を含む材料から形成することができる。Crを含む材料としては、例えば、Cr混相膜が挙げられる。Niを含む材料としては、例えば、Ni-Cu(ニッケル銅)が挙げられる。CrとNiの両方を含む材料としては、例えば、Ni-Cr(ニッケルクロム)が挙げられる。 The resistor 30 can be formed from, for example, a material containing Cr (chromium), a material containing Ni (nickel), or a material containing both Cr and Ni. That is, the resistor 30 can be formed from a material containing at least one of Cr and Ni. An example of a Cr-containing material is a Cr multiphase film. An example of a Ni-containing material is Ni-Cu (nickel copper). An example of a material containing both Cr and Ni is Ni-Cr (nickel chromium).

ここで、Cr混相膜とは、Cr、CrN、CrN等が混相した膜である。Cr混相膜は、酸化クロム等の不可避不純物を含んでもよい。 Here, a Cr multiphase film is a film in which Cr, CrN, Cr₂N , etc., are mixed. The Cr multiphase film may contain unavoidable impurities such as chromium oxide.

抵抗体30の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、0.05μm~2μm程度とすることができる。特に、抵抗体30の厚さが0.1μm以上であると抵抗体30を構成する結晶の結晶性(例えば、α-Crの結晶性)が向上する点で好ましく、1μm以下であると抵抗体30を構成する膜の内部応力に起因する膜のクラックや基材10からの反りを低減できる点で更に好ましい。 The thickness of the resistor 30 is not particularly limited and can be appropriately selected depending on the purpose, but for example, it can be about 0.05 μm to 2 μm. In particular, a thickness of 0.1 μm or more is preferable because it improves the crystallinity of the crystals constituting the resistor 30 (for example, the crystallinity of α-Cr), and a thickness of 1 μm or less is even preferable because it reduces cracks in the film and warping from the substrate 10 caused by internal stress in the film constituting the resistor 30.

例えば、抵抗体30がCr混相膜である場合、安定な結晶相であるα-Cr(アルファクロム)を主成分とすることで、ゲージ特性の安定性を向上することができる。又、抵抗体30がα-Crを主成分とすることで、ひずみゲージ1のゲージ率を10以上、かつゲージ率温度係数TCS及び抵抗温度係数TCRを-1000ppm/℃~+1000ppm/℃の範囲内とすることができる。ここで、主成分とは、対象物質が抵抗体を構成する全物質の50質量%以上を占めることを意味するが、ゲージ特性を向上する観点から、抵抗体30はα-Crを80重量%以上含むことが好ましい。なお、α-Crは、bcc構造(体心立方格子構造)のCrである。 For example, if the resistor 30 is a Cr multiphase film, the stability of the gauge characteristics can be improved by using α-Cr (alpha-chromium), a stable crystalline phase, as the main component. Furthermore, by using α-Cr as the main component of the resistor 30, the gauge factor of the strain gauge 1 can be set to 10 or higher, and the temperature coefficient of gauge factor TCS and the temperature coefficient of resistance TCR can be set within the range of -1000 ppm/°C to +1000 ppm/°C. Here, "main component" means that the substance in question accounts for 50% or more by mass of the total substances constituting the resistor. From the viewpoint of improving gauge characteristics, it is preferable that the resistor 30 contains 80% by weight or more of α-Cr. Note that α-Cr is Cr with a bcc structure (body-centered cubic lattice structure).

端子部41は、抵抗体30の両端部から延在しており、平面視において、抵抗体30よりも拡幅して略矩形状に形成されている。端子部41は、ひずみにより生じる抵抗体30の抵抗値の変化を外部に出力するための一対の電極である。 The terminal portion 41 extends from both ends of the resistor 30 and, in a plan view, is wider than the resistor 30 and formed in a roughly rectangular shape. The terminal portion 41 is a pair of electrodes for outputting the change in the resistance value of the resistor 30 caused by strain to the outside.

例えば、各々の端子部41の側面の一部がひずみゲージ1の外部に露出しており、露出する部分に外部接続用のリード線等が接合される。但し、各々の端子部41の一部がひずみゲージ1の外部に露出していれば、露出する部分は各々の端子部41の側面でなくてもよい。例えば、基材10に貫通孔や切り欠きを設け、各々の端子部41の上面の一部又は全部を露出させてもよい。 For example, a portion of the side surface of each terminal portion 41 is exposed to the outside of the strain gauge 1, and an external connection lead wire or the like is joined to the exposed portion. However, as long as a portion of each terminal portion 41 is exposed to the outside of the strain gauge 1, the exposed portion does not have to be the side surface of each terminal portion 41. For example, through holes or notches may be provided in the base material 10 to expose a portion or all of the upper surface of each terminal portion 41.

抵抗体30は、例えば、端子部41の一方からジグザグに折り返しながら延在して他方の端子部41に接続されている。端子部41の上面や側面を、端子部41よりもはんだ付け性が良好な金属で被覆してもよい。なお、抵抗体30と端子部41とは便宜上別符号としているが、両者は同一工程において同一材料により一体に形成することができる。 The resistor 30 extends from one terminal portion 41 in a zigzag pattern and connects to the other terminal portion 41. The upper and side surfaces of the terminal portions 41 may be covered with a metal that has better solderability than the terminal portions 41. Although the resistor 30 and the terminal portions 41 are given different reference numerals for convenience, they can be integrally formed from the same material in the same process.

センサモジュール5において、基材10の下面10b側は、接着層120を介して、起歪体110の上面110aと接着されている。すなわち、ひずみゲージ1は、抵抗体30を起歪体110側に向けて起歪体110に接着されている。 In the sensor module 5, the lower surface 10b of the base material 10 is bonded to the upper surface 110a of the strain generating body 110 via the adhesive layer 120. That is, the strain gauge 1 is bonded to the strain generating body 110 with the resistor 30 facing the strain generating body 110.

起歪体110は、例えば、Fe、SUS(ステンレス鋼)、Al等の金属やPEEK等の樹脂から形成され、印加される力に応じて変形し、生じたひずみをひずみゲージ1に伝達する物体である。ひずみゲージ1は、起歪体110に生じるひずみを抵抗体30の抵抗値変化として検出することができる。 The strain-generating body 110 is formed from a metal such as Fe, SUS (stainless steel), or Al, or a resin such as PEEK. It deforms in response to the applied force and transmits the resulting strain to the strain gauge 1. The strain gauge 1 can detect the strain generated in the strain-generating body 110 as a change in the resistance value of the resistor 30.

接着層120は、ひずみゲージ1と起歪体110とに挟持されており、抵抗体30を被覆している。接着層120は、ひずみゲージ1と起歪体110とを接着する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、変性ウレタン樹脂等を用いることができる。又、ボンディングシート等の材料を用いても良い。但し、起歪体110が導電体である場合には、接着層120として絶縁性の材料を選択する必要がある。接着層120の厚さは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、0.1μm~50μm程度とすることができる。 The adhesive layer 120 is sandwiched between the strain gauge 1 and the strain-generating body 110, and covers the resistor 30. The adhesive layer 120 is not particularly limited as long as it is a material that has the function of bonding the strain gauge 1 and the strain-generating body 110, and can be appropriately selected according to the purpose. For example, epoxy resin, modified epoxy resin, silicone resin, modified silicone resin, urethane resin, modified urethane resin, etc., can be used. Alternatively, materials such as bonding sheets may be used. However, if the strain-generating body 110 is a conductor, it is necessary to select an insulating material for the adhesive layer 120. The thickness of the adhesive layer 120 is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose, but for example, it can be approximately 0.1 μm to 50 μm.

ひずみゲージ1を製造するためには、まず、基材10を準備し、基材10の下面10bに図1に示す平面形状の抵抗体30及び端子部41を形成する。抵抗体30及び端子部41の材料や厚さは、前述の通りである。抵抗体30と端子部41とは、同一材料により一体に形成することができる。 To manufacture the strain gauge 1, first, a base material 10 is prepared, and a resistor 30 and terminal portion 41 in the planar shape shown in Figure 1 are formed on the lower surface 10b of the base material 10. The material and thickness of the resistor 30 and terminal portion 41 are as described above. The resistor 30 and terminal portion 41 can be integrally formed from the same material.

抵抗体30及び端子部41は、例えば、抵抗体30及び端子部41を形成可能な原料をターゲットとしたマグネトロンスパッタ法により成膜し、フォトリソグラフィによってパターニングすることで形成できる。抵抗体30及び端子部41は、マグネトロンスパッタ法に代えて、反応性スパッタ法や蒸着法、アークイオンプレーティング法、パルスレーザー堆積法等を用いて成膜してもよい。 The resistor 30 and terminal portion 41 can be formed, for example, by depositing a film using a magnetron sputtering method targeting a raw material capable of forming the resistor 30 and terminal portion 41, and then patterning it using photolithography. Alternatively, the resistor 30 and terminal portion 41 may be deposited using reactive sputtering, vapor deposition, arc ion plating, pulsed laser deposition, or other methods instead of magnetron sputtering.

ゲージ特性を安定化する観点から、抵抗体30及び端子部41を成膜する前に、下地層として、基材10の下面10bに、例えば、コンベンショナルスパッタ法により膜厚が1nm~100nm程度の機能層を真空成膜することが好ましい。なお、機能層は、機能層の下面全体に抵抗体30及び端子部41を形成後、フォトリソグラフィによって抵抗体30及び端子部41と共に図1に示す平面形状にパターニングされる。 From the viewpoint of stabilizing the gauge characteristics, it is preferable to vacuum-deposit a functional layer with a thickness of approximately 1 nm to 100 nm onto the lower surface 10b of the substrate 10 as an underlayer, for example, by conventional sputtering, before depositing the resistor 30 and terminal portion 41. The functional layer is then patterned with the resistor 30 and terminal portion 41 into the planar shape shown in Figure 1 by photolithography after the resistor 30 and terminal portion 41 have been formed on the entire lower surface of the functional layer.

本願において、機能層とは、少なくとも上層である抵抗体30の結晶成長を促進する機能を有する層を指す。機能層は、更に、基材10に含まれる酸素や水分による抵抗体30の酸化を防止する機能や、基材10と抵抗体30との密着性を向上する機能を備えていることが好ましい。機能層は、更に、他の機能を備えていてもよい。 In this application, the functional layer refers to a layer having the function of promoting crystal growth of the resistor 30, which is at least the upper layer. Preferably, the functional layer further has the function of preventing oxidation of the resistor 30 by oxygen and moisture contained in the substrate 10, and the function of improving the adhesion between the substrate 10 and the resistor 30. The functional layer may further have other functions.

基材10を構成する絶縁樹脂フィルムは酸素や水分を含むため、特に抵抗体30がCrを含む場合、Crは自己酸化膜を形成するため、機能層が抵抗体30の酸化を防止する機能を備えることは有効である。 Since the insulating resin film constituting the base material 10 contains oxygen and moisture, and especially when the resistor 30 contains Cr, the Cr forms a self-oxidizing film, it is effective for the functional layer to have a function that prevents oxidation of the resistor 30.

機能層の材料は、少なくとも上層である抵抗体30の結晶成長を促進する機能を有する材料であれば、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、Cr(クロム)、Ti(チタン)、V(バナジウム)、Nb(ニオブ)、Ta(タンタル)、Ni(ニッケル)、Y(イットリウム)、Zr(ジルコニウム)、Hf(ハフニウム)、Si(シリコン)、C(炭素)、Zn(亜鉛)、Cu(銅)、Bi(ビスマス)、Fe(鉄)、Mo(モリブデン)、W(タングステン)、Ru(ルテニウム)、Rh(ロジウム)、Re(レニウム)、Os(オスミウム)、Ir(イリジウム)、Pt(白金)、Pd(パラジウム)、Ag(銀)、Au(金)、Co(コバルト)、Mn(マンガン)、Al(アルミニウム)からなる群から選択される1種又は複数種の金属、この群の何れかの金属の合金、又は、この群の何れかの金属の化合物が挙げられる。 The material of the functional layer is not particularly limited as long as it has the function of promoting crystal growth of at least the upper layer, the resistor 30. It can be appropriately selected according to the purpose. Examples include one or more metals selected from the group consisting of Cr (chromium), Ti (titanium), V (vanadium), Nb (niobium), Ta (tantalum), Ni (nickel), Y (yttrium), Zr (zirconium), Hf (hafnium), Si (silicon), C (carbon), Zn (zinc), Cu (copper), Bi (bismuth), Fe (iron), Mo (molybdenum), W (tungsten), Ru (ruthenium), Rh (rhodium), Re (rhenium), Os (osmium), Ir (iridium), Pt (platinum), Pd (palladium), Ag (silver), Au (gold), Co (cobalt), Mn (manganese), and Al (aluminum), an alloy of any of these metals, or a compound of any of these metals.

上記の合金としては、例えば、FeCr、TiAl、FeNi、NiCr、CrCu等が挙げられる。又、上記の化合物としては、例えば、TiN、TaN、Si、TiO、Ta、SiO等が挙げられる。 Examples of the alloys mentioned above include FeCr, TiAl, FeNi, NiCr, and CrCu. Examples of the compounds mentioned above include TiN, TaN, Si3N4 , TiO2 , Ta2O5 , and SiO2 .

機能層は、例えば、機能層を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にAr(アルゴン)ガスを導入したコンベンショナルスパッタ法により真空成膜することができる。コンベンショナルスパッタ法を用いることにより、基材10の下面10bをArでエッチングしながら機能層が成膜されるため、機能層の成膜量を最小限にして密着性改善効果を得ることができる。 The functional layer can be deposited using a conventional sputtering method, for example, by targeting a raw material capable of forming a functional layer and introducing argon (Ar) gas into a chamber. By using the conventional sputtering method, the functional layer is deposited while etching the lower surface 10b of the substrate 10 with Ar, thus minimizing the amount of functional layer deposited and achieving improved adhesion.

但し、これは、機能層の成膜方法の一例であり、他の方法により機能層を成膜してもよい。例えば、機能層の成膜の前にAr等を用いたプラズマ処理等により基材10の下面10bを活性化することで密着性改善効果を獲得し、その後マグネトロンスパッタ法により機能層を真空成膜する方法を用いてもよい。 However, this is merely one example of a method for forming a functional layer, and the functional layer may be formed by other methods. For example, a method may be used in which the lower surface 10b of the substrate 10 is activated by plasma treatment using Ar or the like before forming the functional layer to improve adhesion, and then the functional layer is formed using a vacuum deposition method with a magnetron sputter.

機能層の材料と抵抗体30及び端子部41の材料との組み合わせは、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択できるが、例えば、機能層としてTiを用い、抵抗体30及び端子部41としてα-Cr(アルファクロム)を主成分とするCr混相膜を成膜することが可能である。 The combination of materials for the functional layer and the resistor 30 and terminal portion 41 is not particularly limited and can be appropriately selected according to the purpose. For example, it is possible to use Ti as the functional layer and deposit a Cr multiphase film mainly composed of α-Cr (alpha-chromium) as the resistor 30 and terminal portion 41.

この場合、例えば、Cr混相膜を形成可能な原料をターゲットとし、チャンバ内にArガスを導入したマグネトロンスパッタ法により、抵抗体30及び端子部41を成膜することができる。或いは、純Crをターゲットとし、チャンバ内にArガスと共に適量の窒素ガスを導入し、反応性スパッタ法により、抵抗体30及び端子部41を成膜してもよい。 In this case, for example, the resistor 30 and terminal portion 41 can be formed by magnetron sputtering using a raw material capable of forming a Cr multiphase film as the target, with Ar gas introduced into the chamber. Alternatively, the resistor 30 and terminal portion 41 may be formed by reactive sputtering using pure Cr as the target, with an appropriate amount of nitrogen gas introduced into the chamber along with Ar gas.

これらの方法では、Tiからなる機能層がきっかけでCr混相膜の成長面が規定され、安定な結晶構造であるα-Crを主成分とするCr混相膜を成膜できる。又、機能層を構成するTiがCr混相膜中に拡散することにより、ゲージ特性が向上する。例えば、ひずみゲージ1のゲージ率を10以上、かつゲージ率温度係数TCS及び抵抗温度係数TCRを-1000ppm/℃~+1000ppm/℃の範囲内とすることができる。なお、機能層がTiから形成されている場合、Cr混相膜にTiやTiN(窒化チタン)が含まれる場合がある。 In these methods, a functional layer made of Ti (Ti) initiates the growth surface of the Cr multiphase film, enabling the formation of a Cr multiphase film primarily composed of α-Cr, which has a stable crystalline structure. Furthermore, the diffusion of Ti from the functional layer into the Cr multiphase film improves the gauge characteristics. For example, the gauge factor of strain gauge 1 can be set to 10 or higher, and the gauge factor temperature coefficient TCS and resistance temperature coefficient TCR can be set within the range of -1000 ppm/°C to +1000 ppm/°C. Note that when the functional layer is formed from Ti, the Cr multiphase film may contain Ti or TiN (titanium nitride).

なお、抵抗体30がCr混相膜である場合、Tiからなる機能層は、抵抗体30の結晶成長を促進する機能、基材10に含まれる酸素や水分による抵抗体30の酸化を防止する機能、及び基材10と抵抗体30との密着性を向上する機能の全てを備えている。機能層として、Tiに代えてTa、Si、Al、Feを用いた場合も同様である。 Furthermore, when the resistor 30 is a Cr multiphase film, the functional layer made of Ti has all of the following functions: promoting crystal growth of the resistor 30, preventing oxidation of the resistor 30 by oxygen and moisture contained in the substrate 10, and improving the adhesion between the substrate 10 and the resistor 30. The same applies when Ta, Si, Al, or Fe is used instead of Ti as the functional layer.

このように、抵抗体30の下層に機能層を設けることにより、抵抗体30の結晶成長を促進することが可能となり、安定な結晶相からなる抵抗体30を作製できる。その結果、ひずみゲージ1において、ゲージ特性の安定性を向上することができる。又、機能層を構成する材料が抵抗体30に拡散することにより、ひずみゲージ1において、ゲージ特性を向上することができる。 Thus, by providing a functional layer beneath the resistor 30, it becomes possible to promote crystal growth in the resistor 30, enabling the fabrication of a resistor 30 with a stable crystalline phase. As a result, the stability of the gauge characteristics in the strain gauge 1 can be improved. Furthermore, the diffusion of the material constituting the functional layer into the resistor 30 further improves the gauge characteristics of the strain gauge 1.

センサモジュール5を製造するには、ひずみゲージ1を作製後、基材10の下面10b及び/又は起歪体110の上面110aに、例えば、接着層120となる上記の何れかの材料を塗布する。そして、基材10の下面10bを起歪体110の上面110aと対向させ、塗布した材料を挟んで起歪体110上にひずみゲージ1を配置する。又は、ボンディングシートを起歪体110と基材10との間に挟み込むようにしても良い。 To manufacture the sensor module 5, after fabricating the strain gauge 1, one of the above materials, which will serve as the adhesive layer 120, is applied to the lower surface 10b of the base material 10 and/or the upper surface 110a of the strain generating body 110. Then, the lower surface 10b of the base material 10 is placed opposite the upper surface 110a of the strain generating body 110, and the strain gauge 1 is positioned on the strain generating body 110 with the applied material in between. Alternatively, a bonding sheet may be sandwiched between the strain generating body 110 and the base material 10.

次に、ひずみゲージ1を起歪体110側に押圧しながら所定温度に加熱し、塗布等した材料を硬化させて接着層120を形成する。これにより、接着層120を介して起歪体110の上面110aと基材10の下面10bとが接着され、センサモジュール5が完成する。センサモジュール5は、例えば、荷重、圧力、トルク、加速度等の測定に適用することができる。 Next, the strain gauge 1 is pressed against the strain generating body 110 and heated to a predetermined temperature, curing the applied material and forming an adhesive layer 120. This bonds the upper surface 110a of the strain generating body 110 to the lower surface 10b of the base material 10 via the adhesive layer 120, completing the sensor module 5. The sensor module 5 can be applied to measuring, for example, load, pressure, torque, acceleration, etc.

このように、センサモジュール5では、ひずみゲージ1は、抵抗体30を起歪体110側に向けて起歪体110に接着されている。言い換えれば、抵抗体30の上面側は基材10により被覆されている。抵抗体30の上面側を基材10により被覆することで、抵抗体30に機械的な損傷等が生じることを防止できる。又、抵抗体30の上面側を基材10により被覆することで、抵抗体30を湿気等から保護することができる。 In this way, in the sensor module 5, the strain gauge 1 is bonded to the strain generating body 110 with the resistor 30 facing the strain generating body 110. In other words, the upper surface of the resistor 30 is covered by the base material 10. By covering the upper surface of the resistor 30 with the base material 10, mechanical damage to the resistor 30 can be prevented. Furthermore, by covering the upper surface of the resistor 30 with the base material 10, the resistor 30 can be protected from moisture and other elements.

ところで、前述のように、従来のセンサモジュールは、基材上に抵抗体及び保護フィルムが形成されたひずみゲージを作製し、ひずみゲージの基材側を接着層を介して起歪体に接着した構造である。この場合、基材に抵抗体を成膜する工程に加え、抵抗体を保護フィルムで被覆する工程が必要になるため、ひずみゲージを用いたセンサモジュールのコストが上昇するという問題があった。 Incidentally, as mentioned above, conventional sensor modules have a structure in which a strain gauge is fabricated by forming a resistor and a protective film on a substrate, and the substrate side of the strain gauge is bonded to the strain-generating body via an adhesive layer. In this case, in addition to the process of forming the resistor film on the substrate, a process of covering the resistor with a protective film is required, which leads to the problem of increased cost for sensor modules using strain gauges.

これに対して、センサモジュール5では、ひずみゲージ1は、抵抗体30を起歪体110側に向けて起歪体110に接着されており、抵抗体30の上面側は基材10により被覆されている。すなわち、センサモジュール5では、基材10が従来のセンサモジュールにおける保護フィルムの役割を兼ねているため、抵抗体を保護フィルムで被覆する工程が不要になり、製造に必要な時間が短縮される。これにより、センサモジュール5のコスト上昇を抑制することができる。 In contrast, in the sensor module 5, the strain gauge 1 has the resistor 30 facing the strain generating body 110 and bonded to the strain generating body 110, and the upper surface of the resistor 30 is covered with the base material 10. That is, in the sensor module 5, the base material 10 also serves the role of the protective film in conventional sensor modules, eliminating the need for the process of covering the resistor with a protective film, thus shortening the manufacturing time. This helps to suppress the cost increase of the sensor module 5.

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although preferred embodiments have been described in detail above, the invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and substitutions can be made to the embodiments described above without departing from the scope of the claims.

1 ひずみゲージ、5 センサモジュール、10 基材、10a 上面、10b 下面、30 抵抗体、41 端子部、110 起歪体、110a 上面、120 接着層 1 Strain gauge, 5 Sensor module, 10 Substrate, 10a Top surface, 10b Bottom surface, 30 Resistor, 41 Terminal section, 110 Strain generating element, 110a Top surface, 120 Adhesive layer

Claims (5)

可撓性を有する樹脂製の基材、前記基材の一方の面に、直接金属、合金、又は、金属の化合物から形成された機能層、及び前記機能層の一方の面に直接、Cr、CrN、及びCrNを含む膜から形成された、α-Crを主成分とする抵抗体、を備えたひずみゲージと、
前記ひずみゲージにひずみを伝達する起歪体と、を有し、
前記機能層は、前記α-Crの結晶成長を促進させ、前記α-Crを主成分とする膜を成膜する機能を有し、
前記抵抗体の厚さは、0.05μm以上2μm以下であり、
前記機能層の厚さは、1nm以上100nm以下であり、
前記ひずみゲージは、前記抵抗体を前記起歪体側に向けて前記起歪体に接着されているセンサモジュール。
A strain gauge comprising a flexible resin substrate, a functional layer formed directly on one surface of the substrate from a metal, alloy, or metal compound, and a resistor mainly composed of α-Cr formed directly on one surface of the functional layer from a film containing Cr, CrN, and Cr₂N ,
The strain gauge comprises a strain-generating body that transmits strain to the aforementioned strain gauge,
The functional layer has the function of promoting the crystal growth of α-Cr and forming a film mainly composed of α-Cr.
The thickness of the resistor is 0.05 μm or more and 2 μm or less.
The thickness of the functional layer is 1 nm or more and 100 nm or less.
The strain gauge is a sensor module in which the resistor is attached to the strain generating body with the resistor facing the strain generating body.
前記ひずみゲージは、前記抵抗体と電気的に接続された一対の電極を備え、
前記一対の電極の前記起歪体とは反対側の面の一部又は全部は、前記基材に設けられた開口部内に露出している請求項1に記載のセンサモジュール。
The strain gauge comprises a pair of electrodes electrically connected to the resistor,
The sensor module according to claim 1, wherein part or all of the faces of the pair of electrodes opposite to the strain-generating body are exposed within an opening provided in the substrate.
前記ひずみゲージと前記起歪体とに挟持された接着層を有し、
前記接着層は、前記抵抗体を被覆している請求項1又は2に記載のセンサモジュール。
The device has an adhesive layer sandwiched between the strain gauge and the strain generating body,
The sensor module according to claim 1 or 2, wherein the adhesive layer covers the resistor.
前記接着層は、エポキシ樹脂、変性エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、変性シリコーン樹脂、ウレタン樹脂、又は変性ウレタン樹脂から形成されている請求項3に記載のセンサモジュール。 The sensor module according to claim 3, wherein the adhesive layer is formed from epoxy resin, modified epoxy resin, silicone resin, modified silicone resin, urethane resin, or modified urethane resin. 前記接着層の厚さは、0.1μm以上50μm以下である請求項3又は4に記載のセンサモジュール。 The sensor module according to claim 3 or 4, wherein the thickness of the adhesive layer is 0.1 μm or more and 50 μm or less.
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